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微生物学 章节八：微生物的生态
#微生物学 #食品 #生态 #种群
8.1 微生物生态学相关概念
- 生态学：研究生物系统与其环境条件间相互作用规律性的科学
- 微生物生态学：研究微生物群体与周围的生物和非生物环境条件相互作用关系的科学
- 生态平衡：生物与环境之间形成的相对协调稳定的状态
- 种群：指具有相似和生活在一定空间内的同种个体群，种群是组成群落的基本组分
- 群落：是生态系统中最高生物学单位，是指生活在一定区域或生境里的各种生物种群所组成的集体
- 正常菌群：生活在健康动物各部位，数量大、种类较稳定且一般是有益无害的微生物。正常菌群是一个相对的概念，当机体防御能力降低时（如皮肤大面积烧伤），一部分正常菌群会变成病原微生物
8.2 无菌动物与悉生动物
- 无菌动物：体内外检查不到任何正常菌群的动物
- 悉生动物：人为地接种已知纯种微生物的无菌动物
8.3 生产益生菌剂的优良菌种
- 两歧双歧杆菌
- 长双歧杆菌
- 短双歧杆菌
- 青春双歧杆菌
- 婴儿双歧杆菌
- 嗜酸乳杆菌
- 植物乳杆菌
- 干酪乳杆菌
- 保加利亚乳杆菌
- 嗜热链球菌
8.4 根际微生物与附生微生物
- 根际微生物：存在于植物根际的微生物由于受到植物根系分泌物和根系死亡脱落物的影响，植物根际的微生物数量较根际外高，但种类较单一，且在不同的植物根际微生物的种类会发生变化，以细菌为主，并且是革兰氏阴性菌占优势
- 附生微生物：生活在植物体表面，借其外渗物质或分泌物质为营养的微生物
8.5 微生物的相互关系
8.5.1 种间关系
【重点】
- 中性关系（种间共存）：两种微生物互不影响地生活在一起
- 在代谢差异相差极大的种群间产生
- 空间上相互分离、不利于生长繁殖的环境中可能产生
- 处于休眠状态的微生物种群之间可能产生
- 偏利共生：一个种群获利，而另一个种群不受影响的共生关系
- 常见，但不专性
- 属两个种群之间的单向性关系
- 协同互生（共栖）：微生物比较松散的结合，互利互惠，但任一种群在自然环境中都可以独立存活，且其协同互生关系均易被其他种群取代
- 互惠共生：紧密结合形成特殊共生体，产生了新结构，生理上有一定分工，具有专一性，任一种群在自然环境中均不可独立存活，且其协同互生关系均不可被其他种群取代
- 拮抗（偏害）：一方会产生某种特殊代谢产物或改变环境条件，抑制或杀死另一方
- 竞争：争夺相同的营养或空间，双方生长均抑制
- 寄生：一方生活在另一方体表或体内，寄生物从寄主获得营养，专一性较高
- 捕食：一方直接吞食并消化另一方
8.5.1 种内关系
先协同，后竞争
8.6 水体的自净作用及其原因
- 水的自净作用：有机物经过分解作用实现矿质化的过程
- 原因：微生物特别是细菌积极参加水体的净化过程，以水中的有机物作为营养源和能源，将它们消耗掉
8.7 生化需氧量
- 特定时间、温度下，微生物分解一定体积水中可生化降解有机物所进行的生物化学反映过程中所消耗氧的量
8.8 生态系统的多样性
8.8.1 人体微生态系统
人体的五大微生态系统
- 肠道
- 口腔
- 呼吸道
- 皮肤
- 生殖道
🌿 肠道微生态系统
肠道微生物绝大部分定植在结肠
- 菌群总重量：200-400 g
- 物种种类：4600 余种，其中细菌占比超 99%
- 以专性厌氧菌为主
| 肠道专性厌氧菌 | 占比 |
|---|---|
| 拟杆菌属 | 20-30% |
| 粪杆菌属 | 5-15% |
| 双歧杆菌 | 2-5% |
- 空间分布：肠腔、黏液层、肠上皮表层分布的菌种均不同
🌿 口腔微生态系统
- 以兼性厌氧、需氧菌为主，链球菌属是全口腔通用核心优势菌
- 空间分布：九大区域菌群结构完全不同。其中，牙周袋是口腔内唯一厌氧高富集区域
8.9 微生态制剂
微生态制剂：在微生态学理论指导下，利用宿主体内正常菌群、或对其有促进作用的其他无害微生物、或能特异性促进体内有益菌生长繁殖的制剂
8.9.1 微生态制剂的分类
按主要成分分
- 益生菌 probiotics ：活的微生物，当给予足够量时，会给宿主带来健康的益处
- 益生元 prebiotics ：一类非消化性物质，能选择性地促进一种或几种定植于结肠内常住菌的活性或生长繁殖。从而增进健康
- 合生元 = 益生菌 + 益生元
按制剂的组成分
- 活菌制剂
- 死菌制剂
- 单菌制剂
- 联合菌制剂
按其应用对象分
- 人用微生态制剂
- 兽用微生态制剂
- 水产用微生物态剂
- 农用微生物态剂
按其用途分
- 微生态治疗剂：主要用于预防和治疗消化技能紊乱和消化道感染
- 微生态促生长剂：辅助消化，促进生长
- 微生态多功能剂 = 治疗剂 + 促生长剂
8.9.2 益生菌
益生菌生产菌种的准入要求
- 菌株明确
- 安全性高
- 工艺耐受性好
- 具备明确的人体或动物功能验证数据
- 符合国家可使用菌种目录，合规合法
🧫 益生菌作用机理
【重点：每个作用机理小标题】
- 优势种群学说
- 生物拮抗作用
- 微生物夺氧学说
- 增强机体的免疫功能
- 产生有益代谢产物及抗菌物质
- 合成酶类及营养物质
- 防止产生有害物质，改善机体环境
1. 优势种群说 优势种群对整个种群起决定作用，一旦失去了优势种群，则该微生态平衡失调。 使用微生态制剂的首要目的就在于恢复优势种群
2. 生物拮抗作用 有益微生物在体内对病原微生物有生物拮抗作用，可与病原微生物争夺有限的营养物质和生态位点，并将其驱除出定植位点
膜菌群屏障学说
正常菌群在黏膜表面定植并形成生物膜样结构，构成一道生物屏障。它通过占位黏附、竞争营养和产生抑菌物质等，阻止致病菌定植、入侵。
3. 微生物夺氧学说 一些需氧微生物（如芽孢杆菌）能消耗肠道内氧气，造成局部厌氧环境，有利于厌氧微生物生长
4. 增强机体的免疫功能 有益菌（如酵母菌细胞壁的酵母多糖）是良好的免疫激活剂，可提高机体的免疫功能
5. 产生有益代谢产物及抗菌物质
- 有益微生物进入肠道会产生乳酸、乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸，抑制致病菌生长
- 产生胞外多糖，诱导机体产生干扰素，预防肿瘤
- 还可合成抗生素、有机酸、H₂O₂等物质抑制有害菌生长
6. 合成酶类及营养物质
- 芽孢杆菌具有很强的蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶活性，补充动物机体消化道内源酶的不足，提高饲料转化率，促进动物生长
- 益生菌能合成多种维生素，还可促进机体对蛋白质、钙、铁和 VD 的消化吸收
7. 防止产生有害物质，改善机体环境 微生态制剂可抑制病原菌，减少蛋白质向胺及氨的转化，减轻肠黏膜的刺激和损伤
🧫 益生菌发挥功能的物质基础
【重点：细胞表面磷壁酸、肽聚糖和表层蛋白；短链脂肪酸和乳酸】
- 细胞表面磷壁酸、肽聚糖和表层蛋白（S-蛋白）
- 黏附功能
- 调节免疫功能和抑制肿瘤细胞的功能
- 短链脂肪酸和乳酸
- 短链脂肪酸特有的作用：供能；修复肠道屏障
- 二者共有的作用：酸化肠道；调节免疫，抗炎；信号调控
- 乳酸特有的作用：可作为代谢底物
- 特殊酶系：产生分解亚硝胺、合成微生物、分解胆汁酸、分解有毒物质、降低胆固醇的酶
- 细菌素和 H₂O₂：抑菌作用
- 非脂多糖：诱导机体产生干扰素，预防肿瘤
- 其他代谢产物
🧫 可用于微生态制剂的益生菌种类
按关系分
- 共生菌
- 寄生菌
按生境分
- 原籍菌（常住菌）：在宿主一定时期特定节配不为占位密度最高，低免疫原性的厌氧菌
- 外籍菌（暂住菌）：在宿主一定时期特定节配不为占位密度低，且具有相当免疫原性的需氧或兼性厌氧菌
理想微生态制剂的标准（简单看看即可）
- 菌种在分类学上为安全性菌株
- 体内外繁殖速度快
- 抗逆性强
- 对有害微生物的抑制能力强
- 能进行工业化规模生产
- 具有明确的作用
可用于动物养殖的益生菌
- 芽孢杆菌属
- 乳杆菌属
- ……
可用于食品的益生菌
- 双歧杆菌属
- 乳杆菌属
- 链球菌属（这一属只有嗜热链球菌）
可用于药品的益生菌
- 双歧杆菌
- 乳杆菌
- 球菌
- 芽孢杆菌
- 梭菌
- 酵母菌
🧫 益生菌细解
1. 乳酸菌类
指能发酵碳水化合物产生 50%以上乳酸的一类细菌的总称
- G+
- 厌氧或兼性厌氧
乳酸菌作为益生菌的特点
- 代谢与营养作用
- 抑制肠道病原微生物
- 维持肠道屏障，调节局部免疫
- 菌群协同作用
- 益生菌功效明显
- 菌种安全性好
- 功效严格菌株特异性
- 部分菌株可长期胃肠道定制
- 抗逆性弱，加工储藏难度高
乳杆菌属
- G+
- 兼性厌氧
链球菌属
- 排列成链状
2. 芽孢杆菌属
芽孢杆菌属作为益生菌的特点
- 抗逆性极强，制剂稳定性好（恰是乳酸菌的最大缺点）
- 代谢功能多样，提升消化能力
- 抑菌能力突出
- 调节肠道微生态
- 免疫调节功能
- 肠道内可萌发，但大多不能在肠道内长期定植
- 安全风险需要筛查
凝结芽孢杆菌：能产生芽孢，又能产生乳酸
丁酸梭菌：能产生芽孢，又能产生丁酸
3. 酵母菌
酵母菌作为益生菌的特点
- 营养辅助
- 竞争拮抗
- 免疫调节
- 毒素吸附
- 消化道胁迫耐受能力较强
- 对抗生素不敏感，可与抗生素联合使用
- 耐受制剂加工储存
4. 霉菌类
霉菌类作为益生菌的特点
- 降解抗营养因子，提升饲料消化率
- 调节消化道微生态环境
- 免疫调节作用
- 孢子抗逆性较好（常以孢子形式制剂）
- 对氧气依赖性高，厌氧环境中孢子难萌发
- 体内产酶、产酸效率有限
- 宿主适配窄
5. 光合细菌类
光合细菌类作为益生菌的特点
- 直接厌氧作用
- 改善水质
- 活化免疫系统
- 抑制病原菌生长
8.9.3 益生元
益生元的种类
- 经典确证益生元（碳水化合物）
- 功能性低聚糖 如低聚果糖、低聚半乳糖
- 难消化果糖 如菊粉
- 发酵性多元醇 如乳糖醇
- 候选/潜在益生元
- 蛋白与肽水解物
- 植物及食药同源提取物
TIP
( ’ω’ ) 预祝复习顺利！！！